ERC-beurswinnaar Uwe Kraemer: “Fast-timing silicium heeft de toekomst”

Wat is het doel van dit ERC-voorstel?

„Ik ben ervan overtuigd dat siliciumpixel-detectoren met een snelle timing de toekomst zijn van alle experimenten in de deeltjesfysica. Maar in vergelijking met andere gebieden van de ontwikkeling van trackingdetectoren wordt er op dat gebied nog niet veel fundamenteel onderzoek gedaan, hoewel de belangstelling toeneemt. Bij Nikhef wordt hieraan gewerkt en we hebben daar al enkele resultaten geboekt, maar we zijn ook tegen beperkingen aangelopen. Die gaan we nu met dit nieuwe project aanpakken.”

Wat is de kern van de zaak?

“Het verbeteren van zogenaamde LGAD-sensoren – low-gain avalanche diodes. Dit zijn deeltjessensoren met interne ladingsversterking die zeer geschikt zijn voor snelle timing, waardoor je snelle registraties kunt maken. De trend is gericht op kleinere pixels voor betere lokalisatie, maar daar zijn we de afgelopen jaren tegen beperkingen aangelopen.”

Kunnen ze niet nog kleiner worden gemaakt?

“Niet zonder problemen. Wanneer een deeltje een sensor raakt, komen er in een dunne laag elektronen vrij die door een elektrisch veld naar de elektroden worden geduwd, waardoor een signaal ontstaat. Voor ruimtelijke lokalisatie moet elke pixel elektrisch geïsoleerd zijn. De sterk gedoteerde laag in LGAD kan echter pixels met elkaar kortsluiten. De huidige kleinste scheidingsmethode is door zogenaamde sleuven in het silicium te snijden en deze te vullen met een isolatiemateriaal. Maar zelfs daar is er nog steeds een opening tussen de versterkingslaag en de sleuf om doorbraak binnen het silicium te voorkomen. Deze opening resulteert in wat we een ‘no gain’-gebied noemen aan de rand van de pixel, waar geen ladingsversterking plaatsvindt.”

En staat dat de detectie in de weg?

„Als we het hebben over de efficiëntie van 4D-tracking, dan ontstaat er een dode hoek. Voor trackingdetectoren is een gevoeligheid van 99 procent de norm. Als we op dezelfde manier 99 procent efficiëntie eisen bij treffers met een goede timing, dan halen onze LGAD’s met sleuven momenteel ongeveer 80 procent. Dat is veel beter dan bij typische LGAD-technologieën, maar te laag om praktisch bruikbaar te zijn.”

Wat kan daar aan gedaan worden?

“Door middel van wat we ‘verbeterde laterale drift’ noemen. In wezen gaat het om het creëren van elektrische velden rond de sleuf door middel van dotering met onzuiverheidselementen, waardoor elektronen naar het midden van de pixel kunnen worden verplaatst om ervoor te zorgen dat ze door de versterkingslaag gaan. Een andere methode is het gebruik van dit nieuwe doteringsgebied als elektrisch contact. Door een afzonderlijke spanning aan te leggen, kunnen we de veldsterkte direct aanpassen. We hebben al in simulaties en met een proof-of-concept-apparaat aangetoond dat dit zou moeten werken.”

En in de praktijk?

“Dat valt nog te bezien. In dit project gaan we eerst simulaties gebruiken om de perfecte formule te ontwikkelen voor de halfgeleiderfabrieken die het apparaat daadwerkelijk moeten gaan produceren. Vervolgens komt het aan op het testen en karakteriseren van prototypes en het verfijnen van onze formule op basis van deze resultaten. Ons doel is om binnen vijf jaar functionele LGAD-sensoren te hebben met een ruimtelijke resolutie van ongeveer 10 micrometer en een tijdresolutie van 50 picoseconden.”

Gaat dat bij Nikhef gebeuren?

“Voor een groot deel wel, ja. We hebben een fantastisch laserlab waar we veel van de tests kunnen uitvoeren. Daarnaast zijn er tests met stralen bij CERN gepland, zodra de versneller daar weer in bedrijf is.”

Waar zullen de nieuwe sensoren uiteindelijk worden gebruikt?

“De verbeterde sensoren voor snelle tijdmeting komen te laat voor de high-luminosity-fase van de LHC. Experimenten zoals ALICE, ATLAS en LHCb hebben hun keuzes al gemaakt of zullen die binnen de looptijd van het project maken en deze de komende jaren implementeren. Deze nieuwe technieken zijn relevant voor toekomstige detectorprojecten, zoals een nieuwe CERN-versneller.”

Zijn er nog andere toepassingen?

“Deze sensoren met hoge resolutie en snelle timing kunnen ook buiten de deeltjesfysica worden gebruikt, bijvoorbeeld in live-camera’s voor lage-energie-röntgenstraling. Kleine, snelle pixelsensoren zijn nuttig in tal van toepassingen.”

Terug bij Nikhef – voelt dat goed?

“Zeker. Met deze ERC-subsidie kan ik nu echt voortbouwen op mijn eerdere werk.”

Aan hetzelfde bureau als waar je zes maanden geleden zat?

“Dat is al geregeld. Het is alsof ik thuiskom.”